Optimisation d'un blindage électromagnétique tissu composite pour des applications basses fréquences : approches numériques et expérimentales

par Kokouvi Etse

Projet de thèse en Génie électrique

Sous la direction de Xavier Mininger et de Anne-Laure Helbert.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris (laboratoire) et de Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Contexte et position du problème Pour une problématique de compatibilité électromagnétique, l'élaboration d'un système électronique doit se faire de telle manière que celui-ci ne soit ni perturbateur et ni perturbé. Ainsi, l'utilisation d'un blindage peut être nécessaire pour confiner les champs électromagnétiques rayonnés et/ou pour protéger un système sensible à ces champs. Les systèmes de blindage électromagnétiques contiennent souvent des métaux puisqu'ils possèdent une grande conductivité électrique et certains une perméabilité magnétique élevée favorables au blindage. L'association de différents matériaux peut permettre d'obtenir un système composite alliant les avantages d'un matériau magnétique, ayant une haute perméabilité pour un blindage efficace en basses fréquences, et un matériau conducteur, présentant un blindage intéressant à plus haute fréquence. De précédents travaux entre les 3 laboratoires impliqués (ref [1] dans le pdf joint) ont montré qu'il est par exemple possible d'obtenir ainsi un tissu de quelques 100aines de μm d'épaisseur par un colaminage de feuilles d'acier et d'aluminium. Cette solution permet de couvrir une gamme de fréquences de 0 à 100 kHz. Objectifs Cette nouvelle thèse vise à poursuivre l'étude initiée sur ce tissu Al/Acier/Al élaboré par colaminage et en particulier à étudier des configurations originales (nouvelles combinaisons de matériaux, architectures multicouches innovantes...) pour évaluer leur éventuel intérêt par rapport à la solution trilame initialement développée. Les travaux couvrent un large spectre allant de la partie expérimentale pour la fabrication et la caractérisation du matériau composite jusqu'à l'étude de son efficacité de blindage électromagnétique, en passant par la mise en place de modèles numériques (méthode des éléments finis) pour étudier des systèmes intégrant cet écran innovant. Pour résumer, les objectifs de la thèse proposée consistent donc à : - S'approprier le logiciel éléments-finis pour réaliser des simulations numériques afin de simuler le comportement de différentes solutions de blindage électromagnétique avec un multi-matériau (Fig. 1 du pdf) et de comparer les résultats simulés à ceux obtenus expérimentalement. Plusieurs verrous sont à lever, en particulier la possibilité de modéliser finement le matériau composite lors de l'étude d'un système complet de blindage. - Prendre en main le système de laminoir et s'approprier les protocoles pour mettre en œuvre le colaminage des couches de différents matériaux afin d'obtenir expérimentalement le tissu (Fig. 2 du pdf) et de vérifier que ses propriétés mécaniques sont compatibles avec l'application. - Réaliser des mesures d'efficacité de blindage électromagnétique et quantifier les améliorations par rapport à la solution de trilame initiale (Fig. 3 du pdf) dans un premier temps sur un dispositif simple, puis sur un système réel de blindage électromagnétique basse fréquence. Le candidat pourra s'appuyer sur les expertises respectives des 3 laboratoires impliqués : le GeePs pour les aspects modélisation numérique, l'ICMMO/SP2M pour la partie expérimentale côté « matériau » et le SATIE pour la partie expérimentale sur les aspects « blindage ». Les résultats numériques et expérimentaux devront permettre de conclure quant à l'intérêt des nouvelles configurations par rapport à la solution étudiée jusqu'à aujourd'hui, et vérifier la viabilité de la solution pour un déploiement industriel.

  • Titre traduit

    Optimization of electromagnetic shielding made of composite material for low-frequency applications: numerical and experimental approaches


  • Résumé

    Context and position of the problem In the case of electromagnetic compatibility problems, an electronic system must be designed in such a way that it is neither disruptive nor interfering. Thus, the use of shielding may be necessary to confine radiated electromagnetic fields and/or to protect a system sensitive to these fields. Electromagnetic shielding systems often contain metals since they have high electrical conductivity and some have high magnetic permeability which are favourable for shielding. The combination of different materials can result in a composite system combining the advantages of a magnetic material with high permeability for effective shielding at low frequencies and a conductive material with good shielding at higher frequencies. Previous work between the 3 laboratories involved [1] has shown that it is possible to obtain a trilayer composite of some 100 layers μm thick by co-lamination of steel and aluminium sheets. This solution covers a frequency range from 0 to 100 kHz. Objectives This new thesis aims to continue the study initiated on this Al/Steel/Al fabric elaborated by colamination and in particular to study original configurations (new combinations of materials, innovative multi-layer architectures...) to evaluate their possible interest comparing to the initially developed trilayer. The work covers a broad spectrum from the manufacture and characterization of the composite material up to the study of its electromagnetic shielding efficiency, through the implementation of numerical models (finite element method) to study systems integrating this innovative screen. To summarize, the objectives of the proposed thesis are therefore: - To appropriate the finite element software to carry out numerical simulations in order to simulate the behaviour of different electromagnetic shielding solutions with a multi-material and compare the simulated results with those obtained experimentally. Several locks have to be lifted, in particular the possibility of finely modelling the composite material when designing a complete shielding system. - To take control of the rolling system and appropriate the protocols to implement the colamination of the layers of different materials in order to experimentally obtain the composite and check that its mechanical properties are compatible with the application. - To carry out measurements of electromagnetic shielding efficiency and quantify the improvements compared to the initial trilayer solution (Fig. 3), first on a simple device, then on a real low-frequency electromagnetic shielding system. The candidate will be able to rely on the respective expertise of the 3 laboratories involved: the GeePs for the numerical modelling aspects, ICMMO/SP2M for the experimental side and the SATIE for the experimental part on 'shielding' aspects. The results and experimental have to show the interst of the new configurations in relation to the solution studied up to now, and to verify the viability of the solution for industrial deployment.